堆棧框架和功能調用：如何創建CPU開銷

我對計算機科學和軟件工程充滿熱情，尤其是低級編程。 軟件和硬件之間的相互作用是無窮無盡的，為調試高級應用程序提供了寶貴的見解。 一個典型的例子是堆棧內存；了解其機制對於高效的代碼和有效的故障排除至關重要。

本文通過檢查函數調用產生的開銷來探討頻繁的函數調用對性能的影響。 假設您對堆棧和堆內存以及 CPU 寄存器有基本的了解。

理解堆棧幀

考慮一個程序的執行。操作系統為程序分配內存，包括堆棧。 每個線程的典型最大堆棧大小為 8 MB（可在 Linux/Unix 上使用 ulimit -s 進行驗證）。 堆棧存儲函數參數、局部變量和執行上下文。它相對於堆內存的速度優勢源於操作系統預分配；分配不需要不斷的操作系統調用。與用於較大的持久數據的堆內存不同，這使其成為小型臨時數據的理想選擇。

多個函數調用會導致上下文切換。例如：

#include <stdio.h>

int sum(int a, int b) {
  return a + b;
}

int main() {
  int a = 1, b = 3;
  int result;

  result = sum(a, b);
  printf("%d\n", result);
  return 0;
}

調用sum需要CPU：

• 將寄存器值保存到堆棧。
• 保存退貨地址（以恢復main）。
• 更新程序計數器（PC）以指向sum。
• 存儲函數參數（在寄存器中或堆棧上）。

這些保存的數據構成了堆棧幀。 每個函數調用都會創建一個新框架；函數完成逆轉了這個過程。

性能影響

函數調用本質上會帶來開銷。這在頻繁調用的循環或深度遞歸等場景中變得很重要。

C 提供了在性能關鍵型應用程序（例如嵌入式系統或遊戲開發）中緩解這種情況的技術。 宏或 inline 關鍵字可以減少開銷：

static inline int sum(int a, int b) {
  return a + b;
}

或

#define SUM(a, b) ((a) + (b))

雖然兩者都避免創建堆棧幀，但由於類型安全性，內聯函數是首選，這與可能引入微妙錯誤的宏不同。 現代編譯器通常會自動內聯函數（使用 -O2 或 -O3 等優化標誌），除了在特定上下文中之外，通常不需要顯式使用。

裝配級考試

分析彙編代碼（使用objdump或gdb）揭示堆棧幀管理：

0000000000001149 <sum>:
    1149:       f3 0f 1e fa             endbr64                # Indirect branch protection (may vary by system)
    114d:       55                      push   %rbp            # Save base pointer
    114e:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp       # Set new base pointer
    1151:       89 7d fc                mov    %edi,-0x4(%rbp) # Save first argument (a) on the stack
    1154:       89 75 f8                mov    %esi,-0x8(%rbp) # Save second argument (b) on the stack
    1157:       8b 55 fc                mov    -0x4(%rbp),%edx # Load first argument (a) from the stack
    115a:       8b 45 f8                mov    -0x8(%rbp),%eax # Load second argument (b) from the stack
    115d:       01 d0                   add    %edx,%eax       # Add the two arguments
    115f:       5d                      pop    %rbp            # Restore base pointer
    1160:       c3                      ret                    # Return to the caller

</sum>

push、mov 和 pop 指令管理堆棧幀，突出顯示開銷。

當優化至關重要時

雖然現代 CPU 可以有效地處理這種開銷，但它在嵌入式系統或高要求應用程式等資源受限的環境中仍然具有相關性。 在這些情況下，最小化函數呼叫開銷可以顯著提高效能並減少延遲。 然而，優先考慮程式碼可讀性仍然是最重要的；應明智地應用這些優化。

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